JP2012077988A - 熱中継機構及び放熱フィン - Google Patents

Abstract

【課題】一定の温度以上にならないと動作しない部品に、発熱部品の熱を伝導する熱中継機構を提供する。
【解決手段】熱中継機構は、熱を放熱する放熱部材２０と、前記放熱部材２０に第１面を接する緩衝部材４と、前記緩衝部材４の第２面に接続され、高温になると変形する熱変形部材３と、前記熱変形部材３に一方の端が接続されたヒートパイプ５と、前記ヒートパイプの他方の端に接続された素子７を有し、一定の温度以上にならないと動作しない部品へ発熱部品からの熱を伝導することにより、ヒーター等の加熱用の部品の追加なしに、寒冷地で装置が安定可動状態に入るまでの時間を短縮化できる。
【選択図】図１

Description

開示の技術は、装置内で発生する熱の中継機構及び熱中継機構を有する放熱フィンに関する。

移動通信基地局等の屋外に設置される装置において、近年の高性能化の要求及び設置場所の省スペース化の要求に伴い、内部で発生する熱の問題が発生している。高性能化、省スペース化のために回路を高集積化すると、デバイスからの発熱も増加する。また、装置内部が狭くなっているため、デバイスから発生した熱が籠もりやすくなってきている。そのため、装置内部で発生する熱を外部に放熱する手段として、デバイスに放熱フィンを具備することでデバイスからの発熱を放出している。さらに、熱輸送素子であるヒートパイプを搭載することで、放熱フィンの熱を筐体に伝え、筐体から外部へ放出している装置もある。

しかし、ヒートパイプで輸送可能な熱量はパイプ半径によって決まり、パイプ半径を大きくしようとすると装置のサイズを大きくしなければならなくなる。よって、ヒートパイプの径を変えずに熱輸送量を向上させることが必要となる。この問題に対して、ヒートパイプ内部に有機物質を塗布して濡れ性を上げ、熱輸送能力を向上させる手段がある(例えば、特許文献１参照。)。

屋外に設置される装置は、赤道付近や砂漠地帯などの日照量が多く、環境温度が高い場所に設置される場合も考慮されなければならない。そのため、装置内の回路は、５５℃でも動作することが求められる。これに対応して、サンシェードや冷却ファンを具備することで、装置内の冷却を図ることが考えられるが、サンシェードについては装置自身の発熱を放出する際の妨げとなり、冷却ファンについては電力消費が発生することやファンの可動による騒音、軸受けの保証期間が課題となる。

特開２００６−１８９２３９号公報

屋外に設置される装置は、寒冷地帯に設置される場合も考慮されなければならない。外気が−７０℃になることも想定して、安定して動作することが求められる。しかし、装置を電源オフの状態からオンにしたときのコールドスタートアップにおいて、装置が安定可動状態に入るまで、時間がかかる。メモリや汎用のＬＳＩは、その動作保証温度範囲は０℃〜７０℃となっており、０℃以下では、安定して動作しない。このため、装置内部にヒーターとなるレジスタンスを入れ、装置内部の温度を早く０℃以上となる様に温めている。しかし、ヒーター搭載による部品コストの増加及び、ヒーターでの消費電力の増加が装置上問題となってくる。また、低温環境においては、放熱能力を重視している装置の場合、内部で発生する熱が際限なく排熱され、結果として安定稼動に至るまでの熱までも排出されてしまう。これにより、高温環境においては排熱を積極的に行い、低温環境においては蓄熱を行う機構が要求されている。

開示の熱中継機構の一観点によれば、熱を放熱する放熱部材と、前記放熱部材に第１面を接する緩衝部材と、前記緩衝部材の第２面に接続され、高温になると変形する熱変形部材と、前記熱変形部材に一方の端が接続されたヒートパイプと、前記ヒートパイプの他方の端に接続された素子とを有する熱中継機構が提供される。

開示の熱中継機構によれば、一定の温度以上にならないと動作しない部品へ発熱部品からの熱を機構部品を介して伝導しているので、ヒーター等の加熱用の部品の追加による消費電力の増加を抑える、という効果を奏する。

熱中継機構の構成を示す図である。 熱中継機構の動作原理を説明する図である。 緩衝シートの製造方法について説明する図である。 緩衝シートを熱中継部品への取り付ける方法について説明する図である。 緩衝シートの効果について説明する図である。 熱中継機構が移動通信基地局の内部に組み込まれている状態を説明する図である。 熱中継機構と放熱フィンとの接続状態を説明する図である。

以下に添付図面を参照して、本開示の技術にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、開示の技術を適用した移動通信基地局等の装置内部の熱中継機構の構成を示す。装置筐体１の内部には、ＭＯＳ携帯電話基地局等のパワー・アンプ回路でよく用いられている横方向拡散ＭＯＳ（ＬＤＭＯＳ：Ｌａｔｅｒａｌｌｙ Ｄｉｆｆｕｓｅｄ ＭＯＳ）やＧａＮ（窒化ガリウム）半導体といったパワー半導体デバイス（図示なし）が含まれる。これらのパワー半導体デバイスは、発熱量が大きいため、フィン側ヒートパイプ２０を介して放熱フィン２が取り付けられている。放熱フィン２は、熱伝導効率のよい金属、例えば銅、アルミニウムなどが用いられる。フィン側ヒートパイプ２０には、バイメタルや、形状記憶プラスチック等の熱によって形状が変化する性質を有する板状の熱変形部品３が接触している。

前記熱変形部品３の一方の面のフィン側ヒートパイプ２０と接触する接触部には、フィン側ヒートパイプ２０の熱を一旦蓄えてから熱変形部品３に伝えるための緩衝シート４が貼り付けられている。この緩衝シート４は、市販のサーマルシートまたは、サーマルシートよりも熱抵抗の高いポリマー素材からなるシート状の部材を使用している。熱変形部品３の他端は、装置筐体１にブロック６１によって固定されている。ブロック６１は、熱変形部材が熱によって変形した場合の支点となる。

ブロック６１の他方の面には、ヒートパイプ５が取り付けられている。ヒートパイプ５は、熱媒体液を封入し且つウィック（毛細管）構造体を内蔵した管体からなり、管内の熱媒体液は、蒸発部の熱入力に応答して蒸発し、凝縮部に移動し、凝縮部にて凝縮・液化した後、ウィック構造体の毛管作用により蒸発部に還流する。そして、蒸発部の熱入力は、凝縮部にて熱出力として放熱される。ヒートパイプ５の他方の端は、第２のブロック６２によって、装置筐体１に固定されている。ブロック６２の側面は、デバイス７に接している。

デバイス７は、動作保証温度範囲が０℃〜７０℃とされているメモリや汎用のＬＳＩであり、０℃以下では、安定して動作しない。前記デバイス７は、本熱中継機構のターゲットとなるものであり、本熱中継機構は、前記デバイス７を動作保証温度範囲動作にするためのものである。

次に、図２を用いて、本開示の技術の動作原理を説明する。図２（ａ）は、装置の電源を立ち上げた時、あるいは、装置筐体１内部の温度が上昇していない時の熱中継機構の状態を示す。この状態においては、板状の熱変形部品３の形状は、初期状態にあり、フィン側ヒートパイプ２０に対して面が平行の状態で、ブロック６１に固定されている。熱変形部品３の先端部に貼り付けられた緩衝シート４は、板状の熱変形部品３によってフィン側ヒートパイプ２０に押し付けられる様に、フィン側ヒートパイプ２０に密着しているので、フィン側ヒートパイプ２０の熱は、緩衝シート４内部に効率よく伝えられる。そして、緩衝シート４全体が温まると、緩衝シート４のフィン側ヒートパイプ２０と接触している面とは、反対の面に接触している熱変形部品３に熱が伝えられる。やがて、その熱は、熱変形部品３内を伝わり、ブロック６１に達し、次に、ヒートパイプ５によって、さらにブロック６２まで伝えられる。その結果、パワー半導体デバイスが発生する熱が、最終的にブロック６２に接しているデバイス７にまで伝えられる。これにより、装置が０℃以下の環境に設置されていて、装置の電源立ち上げ時にデバイス７が安定して動作できない状態にあったとしても、アンプ部品など発熱量の大きいパワー半導体デバイスの熱が伝導され、デバイス７が動作保証範囲にまで加温されるため、装置として安定稼働するまでの時間が短縮できる。

図２（ｂ）は、装置の電源を立ち上げてから時間がたって、装置筐体１内部の温度が十分上昇した熱中継機構の状態を示す。上記図２（ａ）の状態からさらに発熱部品の温度が上昇し、装置筐体１内部の温度も上昇してくると、板状の熱変形部品３は、徐々に図の右側の方向に、フィン側ヒートパイプ２０とは離れる方向に反っていく。

熱変形部品３は、ＮｉＦｅ−ＮｉＭｎＦｅを張り合わせたバイメタル、または、ＮｉＭｎＦｅ−Ｃｕ−ＮｉＦｅの３層の金属を張り合わせたトリメタルを用いる。温度が上昇すると張り合わせた金属の熱膨率の差で、板状の熱変形部品３が湾曲する様に変形する。フィン側ヒートパイプ２０と面で接触していた緩衝シート４も熱変形部品３の変形に伴って、徐々にフィン側ヒートパイプ２０から引き剥がされ、デバイス７への熱の伝導も停止する。

メモリや汎用のＬＳＩの動作保証温度範囲は、０℃〜７０℃とされているので、０℃以下でも動作しないが、高温でも動作が不安定となってしまう。このため、前記熱変形部品３がスイッチとなって、熱を発生するパワー半導体デバイスの熱をデバイス７に供給する経路を絶つことで、デバイス７が必要以上に加熱されてしまうのを防いでいる。デバイス７への熱伝導は、途中で断たれてしまうが、パワー半導体デバイスの熱は、フィン側ヒートパイプ２０から放熱フィン２によって装置外部へ継続的に放出されているので問題ない。

次に、図３を用いて緩衝シート４の製造方法について説明する。まず、所定のサイズの熱電導性にすぐれたアクリル系ゴムをベースとしたサーマルシート４１を準備する。次いで、図３（ａ）に示す様に、サーマルシート４１の表面を削って空洞４２を設ける。次いで、図３（ｂ）に示す様に、前記空洞４２内に前記サーマルシート４１よりさらに柔らかいシリコンコンパウンド４３を充填する。次いで、図３（ｃ）に示す様に、前記シリコンコンパウンド４３を充填した面とは反対の面のサーマルシート４１の表面に薄膜４４を付ける。

薄膜には、熱伝導率の高いＡｌ等の金属を蒸着またはメッキで生成してもよいし、グラファイトシートを貼り付けでも良い。柔軟性を保持するため、薄膜４４の厚さは０.５ｍｍ以下程度とするのが望ましい。この薄膜４４が無いと、フィン側ヒートパイプ２０が高温なため、サーマルシ−ト４１及びシリコンコンパウンド４３の表面が溶け、フィン側ヒートパイプ２０と接合したままになってしまう恐れがある。金属やグラファイト等の薄膜４４を緩衝シート４の表面に設けることで、フィン側ヒートパイプ２０との熱癒着を防止する効果と、フィン側ヒートパイプから受ける熱を接触面内で均一にする効果を有する。緩衝シート４の代わりにフロリナート等の液体を充填したジェルパックでも同様の効果を得られる。これにより、熱変形部品３への一時的な熱流入量を抑制し、中継先のデバイス７への熱衝撃を緩和できる。

次いで、図４を用いて緩衝シート４を熱変形部品３へ張り付ける方法と効果について、説明する。図４（ａ）は、サーマルシート４１上に薄膜４４を付けたものを熱変形部品３へ接着剤等を用いて張り付ける場合を示す。この場合は、内部にシリコンコンパウンド４３を充填していないため、物理的緩衝の効果のみを有する。図４（ｂ）は、図３を用いて説明したサーマルシート４１内にシリコンコンパウンド４３を充填して、表面に薄膜４４を形成した緩衝シート４を熱変形部品３へ接着剤等を用いて張り付ける場合を示す。この場合は、熱、物理的緩衝の効果に加えて、熱変形部品３とフィン側ヒートパイプ２０との間で緩衝シート４を変形させる力をシリコンコンパウンド４３が吸収している。図４（ｃ）は、図４（ｂ）を用いて説明した、緩衝シート４を金属板４５を介して、熱変形部品３へ接着剤等を用いて張り付ける場合を示す。金属板４５は、熱伝導効率のよい銅等を用いる。熱変形部品３もバイメタルで金属のため、金属板４５と熱変形部品３との接着は半田付け、接着剤等を用いて行う。この場合は、図４（ｂ）と同様に、熱、物理的緩衝の効果に加えて、熱変形部品３とフィン側ヒートパイプ２０との間で緩衝シート４を変形させる力をシリコンコンパウンド４３が吸収している。金属板４５は、熱変形部品３上にサーマルシート４１を張り付けてから加工し、シリコンコンパウンド４３を充填して緩衝シート４を作成する場合の土台となる働きを有する。

次に、図５を用いて緩衝シート４の効果について説明する。図５（ａ）と図５（ｂ）は、それぞれ図２（ａ）と図２（ｂ）の緩衝シート４とフィン側ヒートパイプ２０との接合部を、図２（ａ）と図２（ｂ）の下方から見た図を示す。図２（ａ）の状態は、装置の電源を立ち上げた時、あるいは、装置筐体１内部の温度が上昇していない時の熱中継機構の状態を示している。この状態においては、板状の熱変形部品３の形状は、初期状態にあり、フィン側ヒートパイプ２０に対して面が平行の状態に設定されている。この状態では、熱変形部品３とフィン側ヒートパイプ２０との間隔は、本来の緩衝シート４の厚さより短く設定されている。このため、緩衝シート４は図５（ａ）に示すように、熱変形部品３とフィン側ヒートパイプ２０との間に、押しつぶされ変形した形になっている。緩衝シート４のフィン側ヒートパイプ２０との接触面は、押しつぶされたことによって元の面積よりも広くなっているため、フィン側ヒートパイプ２０の熱を急速に緩衝シート４内に伝導することができる。この時点で、あまり温度が高くない緩衝シート４自身の温度を急速に上昇させることができ、さらに緩衝シート４から、熱変形部品３、ブロック６１、ヒートパイプ５、ブロック６２の熱中継機構を介して、デバイス７へ早い段階で熱を伝導することが可能となる。

装置の電源を立ち上げから、装置筐体１内部の温度が徐々に上昇していくと、図２（ｂ）の説明の通り、板状の熱変形部品３は、徐々に図２（ｂ）の右側の方向に、フィン側ヒートパイプ２０とは離れる方向に反っていく。それに伴って、熱変形部品３とフィン側ヒートパイプ２０との間隔も広がっていき、押しつぶされていた緩衝シート４は、徐々に本来の形状に戻る。それに伴って緩衝シート４のフィン側ヒートパイプ２０との接触面積も徐々に狭くなり、フィン側ヒートパイプ２０から緩衝シート４への熱の伝導量も徐々に減っていく。電源立ち上がり時に比べると、この時点では、緩衝シート４は十分に加熱されているので、熱中継機構へは継続して熱は伝導される。さらに、熱伝導が続き熱変形部品３の湾曲が進むと、図５（ｂ）に示す通り、緩衝シート４とフィン側ヒートパイプ２０とは、完全に離間する。ここで、緩衝シート４には熱が蓄えられているため、緩衝シート４とフィン側ヒートパイプ２０とは離間したままを継続する。その後、熱変形部品３の温度が下がって、湾曲が戻って、緩衝シート４とフィン側ヒートパイプ２０とが再度接触することはあるが、緩衝シート４が熱の緩衝となって、離間と接触を頻繁に繰り返すことはない。

図６及び図７は、上記で説明した熱中継機構を移動通信基地局１０の内部に組み込んだ状態を示す。図６は、移動通信基地局１０を放熱フィン２が取り付けられた側から見た移動通信基地局１０内部の透視図である。熱変形部材３は、ブロック６１によって、移動通信基地局１０の筐体上部に固定されている。図６の手前のフィン側ヒートパイプ２０の下方には、発熱部品であるパワー半導体デバイス（図示なし）が接している。図７（ａ）は、放熱フィン２を、移動通信基地局１０への取り付け側から見た図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の熱中継機構が取り付けられた部分の拡大図である。放熱フィン２の側面には、複数のフィン側ヒートパイプ２０が取り付けられている。発熱部品であるパワー半導体デバイスの熱をフィン側ヒートパイプ２０を介して放熱フィン２に伝え、放熱フィン２から熱を放出する構造となっている。

図６を参照して、フィン側ヒートパイプ２０の湾曲部付近の熱変形部材３には、緩衝シート４が貼り付けられている。ブロック６１からは、移動通信基地局１０内部に延びるヒートパイプ５が取り付けられており、ヒートパイプ５の先は、０℃以下では安定して動作しないデバイス７（図示なし）に接している。移動通信基地局１０内部の発熱部品の熱を、放熱フィン２から放出すると共に、これらの熱中継機構を介して、発熱部品の熱を０℃以下では安定して動作しないデバイス７へ伝導することができる。

以上、熱中継機構の仕組みについて、説明したが、さらに熱中継機構の効率を高める手法として、フィン側ヒートパイプ２０及びヒートパイプ５の熱伝導効率を向上させる手法について述べる。ヒートパイプの性能を向上させる手法として、ヒートパイプに用いられているウィック（毛細管）の表面を親水性に変えることが考えられる。具体的な手法は、自己組織化単分子膜（以降ＳＡＭ：Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ) をヒートパイプ内外の表面上に金属修飾させるというものである。ＳＡＭは様々な固体表面上に単分子膜を形成し、親水性、疎水性、生体適合性などの特性を持った表面を構築することができる。金属修飾した表面上を親水性にするＳＡＭとしては、１１−Ｍｅｒｃａｐｔｏ Ｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ Ａｃｉｄなどが適している。ヒートパイプ内外の表面に金属修飾することで、ヒートパイプ内表面については銅の表面張力が上がり、ウィックの毛管力を上げ、熱輸送能力の向上が可能となる。

放熱フィン２に対しても、上記と同様の表面処理を施すことで、従来必要であった放熱フィン２へのニッケルメッキ処理無しにフィン側ヒートパイプ２０の半田付けが行えることが期待できる。放熱フィン２として用いられるアルミに対して、上記に挙げたＳＡＭを金属修飾することで、アルミ表面の表面張力が上がり、半田が未処理のものに比べて広がりやすくなる。アルミと半田の接触面が広がることで、その間の接着力が強まり、ニッケルメッキ無しのアルミへの半田接合が可能になる。

１ 装置筐体
２ 放熱フィン
３ 熱変形部品
４ 緩衝シート
５ ヒートパイプ
７ デバイス
１０ 移動通信基地局
２０ フィン側ヒートパイプ
４１ サーマルシート
４２ 空洞
４３ シリコンコンパウンド
４４ 薄膜
４５ 金属板
６１、６２ ブロック

Claims (6)

1. 熱を放熱する放熱部材と、
   前記放熱部材に第１面を接する緩衝部材と、
   前記緩衝部材の第２面に接続され、高温になると変形する熱変形部材と、
   前記熱変形部材に一方の端が接続されたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプの他方の端に接続された素子と
   を有することを特徴とする熱中継機構。
2. 前記熱変形部材は、温度上昇により形状が変化する板状部材で、温度上昇に伴い片方の面側に屈曲する
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱中継機構。
3. 前記緩衝部材は、シリコンゴムを内包したサーマルシートであり、前記放熱部材に接触する第１面に金属薄膜を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱中継機構。
4. 前記放熱部材は、第２のヒートパイプであり、発熱素子の熱を伝導する
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱中継機構。
5. 前記熱変形部材は、板状の熱膨張係数の異なる金属を張り合わせたバイメタルまたはトリメタルである
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱中継機構。
6. 第１のヒートパイプと、
   前記第１のヒートバイプに第１面を接する緩衝部材と、
   前記緩衝部材の第２面に接続され、高温になると変形する熱変形部材と、
   前記熱変形部材に一方の端が接続された第２のヒートパイプと、
   を有することを特徴とする放熱フィン。